Microturbine a Vapore e ORC per aumentare l’efficienza energetica nei processi termici industriali Tecnologie e soluzioni

EnergiaMedia - Modena 29 Aprile 2014

Alessandro Dorigati

Ingeco/Progeco

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IL VAPORE

NEI PROCESSI E NELLE MACCHINE A partire dalla prima rivoluzione industriale, il vapore è stato ed è tutt’ora il vettore energetico per eccellenza. Industrie alimentari, chimiche, tessili, cartarie, farmaceutiche e molte altre fondano i loro processi sull’utilizzo del vapore come vettore termico. Grazie alle sue caratteristiche termodinamiche, al basso costo e al basso impatto ambientale per la produzione di energia. , il vapore è anche il fluido più utilizzato nei cicli termodinamici Se fino a ieri il vapore è stato usato quasi esclusivamente in grandi impianti termoelettrici, le nuove tecnologie dei materiali e delle macchine termodinamiche (turbine) offrono oggi la possibilità di costruire piccoli impianti a vapore saturo da inserire nei processi industriali , combinando così l’utilizzo del vapore prima come fluido termodinamico, per la produzione di energia elettrica distribuita, e poi come vettore termico per i processi.

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Possibili applicazioni

COGENERAZIONE CON TURBINA A VAPORE IN CONTROPRESSIONE

Cogenerazione a biomasse o con combustibili tradizionali: -Industria del legno ( per essiccatoi e sistemi di trattamento del legno ) -Processi industriali con utilizzo di vapore ( alimentare, chimica, ecc) -Teleriscaldamenti

Fuel

COGENERAZIONE CON TURBINA A VAPORE IN CONTROPRESSIONE Il vantaggio della cogenerazione con turbina in contropressione

sta nel fatto che la maggior parte del calore prodotto (~85%) resta disponibile per il processo, mentre il 15% assorbito in turbina (condensato) si trasforma quasi interamente (12%) in energia elettrica. Si ha quindi il recupero quasi totale del calore di condensazione del ciclo termodinamico, con un’efficienza globale del sistema superiore al 95% dell’energia primaria immessa con il combustibile.

Possibili applicazioni

RIDUZIONE DELLA PRESSIONE DEL VAPORE CON RECUPERO ENERGETICO

Su impianti a vapore esistenti, dove il vapore viene prodotto ad una certa pressione e ridotto a pressione inferiore per gli utilizzi termici, alle valvole di laminazione della pressione e le microturbine, in parallelo , consentono di recuperare l’energia trasformarla in energia elettrica, scaricando poi il vapore a pressione ridotta sulla rete degli utilizzi.

Le nuove Microturbine a vapor saturo della serie Steam Cycle compatte e ad alta efficienza nel range da 50÷270kWel con pressioni da 5 a 25Barg

La Tecnologia

Le turbine della serie STEAM CYCLE sono il frutto di una ricerca finalizzata all’utilizzo efficiente del vapor saturo con pressioni fino a 25Barg, con condensazione in contro-pressione fino a 10Barg.

L’utilizzo del Titanio

per il rotore, soggetto al rischio di erosione da parte delle goccioline di condensa, garantisce la durata nel tempo delle macchine.

Il design radiale-outflow

, con uno o due stadi ricavati sulla stessa ruota, consente una straordinaria compattezza della macchina, l’ottimizzazione dei costi e soprattutto la possibilità di costruire facilmente turbine adatte a condizioni di pressione e portata diverse senza modificare il profili fluidodinamici della ruota

Microturbina SC100

- potenza nominale max 100kWel - buona modulazione da 40 a 100kW in funzione della portata - tensione di uscita 400V 50Hz - accoppiamento diretto turbina generatore - generatore a magneti permanenti - velocità fino a 56.000 giri/min - conversione statica dell’energia elettrica alla frequenza di rete, mediante raddrizzatore ed inverter - 1 o 2 stadi in funzione del salto di pressione - Max Pin = 25Barg - Max Pout = 10Barg - quadri controllo e potenza inclusi - pannello operatore 10”

Skid Microturbina SC100

Lo skid è studiato per ottimizzare la prefabbricazione in officina e comprende: - il By-Pass, - gli scarichi condense - i quadri di potenza e controllo

A partire dalla condizioni di pressione e portata di vapore nominali la turbina modula molto bene ai carichi parziali con una caratteristica lineare

Microturbina SC270

- potenza nominale max 270kWel - buona modulazione da 100 a 270kW in funzione della portata - tensione di uscita 400V 50Hz - accoppiamento turbina-generatore con riduttore di giri meccanico - generatore asincrono 2 poli - velocità fino a 28.000 giri/min - 1 o 2 stadi in funzione del salto di pressione - Max Pin = 25Barg - Max Pout = 10Barg - quadri controllo e potenza inclusi - pannello operatore 10”

A partire dalla condizioni di pressione e portata di vapore nominali la turbina modula molto bene ai carichi parziali con una caratteristica lineare

Gli ORC a bassa temperatura

Gli ORC (Organic Rankine Cycle) a bassa temperatura utilizzano come fluido organico un refrigerante , di solito l’R245FA, cioè un fluido del tipo di quelli usati anche nei cicli frigoriferi, che a pressione ambiente (1 Bar a) evapora già a circa 14°C. Questa proprietà fa si che, a temperature dell’ordine dei 100-120°C, raggiunga pressioni tra 12 e 19Bar, adatte per un’espansione in turbina o similari. Grazie a queste proprietà gli ORC che utilizzano questi fluidi sono molto efficienti per recuperare cascami termici a bassa temperatura, fino ad arrivare a condensare alla temperatura ambiente, dove, al contrario, il vapore richiederebbe di condensare sotto vuoto con sezioni di passaggio delle macchine molto grandi e costi più elevati. Un’altra importante caratteristica degli HFC è che non sono ne infiammabili ne tossici e non danneggiano l’Ozono.

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Modulo di potenza integrato (IPM)

Vapore 121,8 ° C 15,5 bar

Potenza generata 125 kW

Vapore 62,2 ° C 2,1 bar Organic Rankine Cycle Vapore 36,1 ° C 1,7 bar Sorgente di calore 3,34 MBTU/ora (  900 kW)

Evaporatore

Liquido 40,3 ° C 15,8 bar

Economizzatore

R245fa Liquido 22,5 ° C 15,9 bar Liquido 21,1 ° C 1,5 bar Aria ambiente a 15°C (condizioni ISO) 60% umidità relativa

Ricevitore Condensatore ad acqua Pompa

RECUPERO DI CASCAMI TERMICI A BASSA TEMPERATURA

- Recupero di cascami termici da una grande varietà di processi industriali (industria ceramica, laterizi, cementifici, vetrerie, industria metallurgica, inceneritori) - Il punto più delicato è lo scambiatore sui fumi, soggetto a polveri e rischio corrosione, occorre stare con discreto margine sopra il punto di rugiada - Produzione di energia elettrica con accesso ai

CERTIFICATI BIANCHI 16

RECUPERO DI CASCAMI TERMICI AD ALTA TEMPERATURA COMBI CYCLE – Ciclo combinato Vapore+ORC

Alta Temp 220 → 150°C Bassa Temp 150 → 40°C Vapor saturo 20 → 5Bar Fluido organico 16 → 1,5Bar

Alta Temp 220 → 150°C Vapor saturo 20 → 5Bar Bassa Temp 150 →40 °C Fluido organico 16 → 1,5Bar Vapore molto efficiente su medio alte temperature ( T>150°C ), volume specifico contenuto Fluido organico molto efficiente su basse temperature ( T<150°C ), bassa temperatura di evaporazione, inoltre non condensa in turbina Combinando i vantaggi dei due fluidi si ottiene un sistema affidabile con elevata efficienza elettrica (> 19%) Costi contenuti, nessun fluido pericoloso per tossicità esplosione o incendio, funzionamento automatico

Generatore ORC

Clean Cycle®

• Il generatore Clean Cycle converte l‘energia termica in elettricità nel range di temperatura da 150°C a 30/40°C • Più di 20 unità installate in Italia, le più vecchie sono in funzione da 4 anni con buona soddisfazione dei clienti

Caratteristiche tecniche

Potenza 120 kWe lordi nominali Tensione 3Ø, da 400 a 480 Frequenza 50/60 Hz Temp. in ingresso + 150°C Peso 2900 kg Fluido di lavoro R245FA (refrigerante eco- compatibile)

Vantaggi per il cliente

- Funzionamento automatico semplice da gestire - Assenza di fluidi pericolosi - Flessibilità ai carichi parziali - Alta efficienza in relazione alle temperature - Bassa manutenzione

Generatore-espansore IPM Cuscinetto magnetico combinato Statore del generatore Rotore PM (magneti permanenti) Cuscinetto magnetico radiale Girante incorporata su albero comune

Elettronica di potenza: CA/CC/CA Elettronica di potenza

Generatore a recupero di calore

Raddrizzatore

IGBT fase A IGBT fase B IGBT fase C Batteria di condensa tori

Inverter

IGBT fase C IGBT fase B IGBT fase A ~600 V, ~900 Hz

CC con ripple CC

480 V, 60 Hz Rete

Recupero termico su processo industriale con utilizzo vapore di processo (Liguria)

L‘impianto

Combi Cycle 200 utilizza i cascami termici a valle di un processo di postcombustione

producendo vapore che viene utilizzato in parte nel processo industriale ed il resto per produrre energia elettrica che è poi incentivata con i

Certificati Bianchi 22

Valorizzazione degli scarti di un mobilificio (PN)

L‘impianto è stato creato per valorizzare il polverino sottoprodotto delle lavorazioni di un mobilificio. Il calore di condensazione dei 2 ORC serve a preriscaldare l’aria in ingresso al sistema di riscaldamento della fabbrica, riducendo così significativamente il prelievo di calore dalla caldaia.

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Valorizzazione degli scarti nell‘industria del legno (PV)

L‘impianto è stato creato per valorizzare i sottoprodotti di uno stabilimento per la produzione di pannelli di legno.

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Caldaia a biomassa a Biella

L‘impianto è stato creato per valorizzare la biomassa di scarto derivante dalla raccolta delle potature e scarti agricoli, che precedentemente andavano in discarica Funzionalità: • Riscaldamento capannoni industriali • Generazione energia elettrica • Discarica evitata

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Caldaia a biomassa a Biella

Configurazione Caldaia a cippato a griglia mobile N ° 2 Clean Cycle WHG125 N ° 2 Torri evaporative

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Recupero su motore a biogas Pramaggiore (VE)

Clean Cycle per il recupero dell‘energia dei fumi ed in parte anche quella dell‘acqua di raffreddamento su motore a biogas

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PROGECO

e la sua consociata

INGECO

sono a Silea (Treviso) con stabilimento di produzione di 2.200 mq

PROGECO

è dal 2009 Distributore di GENERAL ELECTRIC - Heat Recovery Solutions

PROGECO

Progetta e costruisce applicazioni di cogenerazione da recupero di cascami termici industriali oltre a sistemi di distribuzione elettrica e automazione

INGECO

Progetta e costruisce applicazioni di cogenerazione da fonti rinnovabili Biomasse, Solare Termodinamico, recupero su motori stazionari ecc.

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Distributor GE Energy

GRAZIE PER L‘ATTENZIONE [email protected]

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INGECO srl – Via Alzaia sul Sile 26/D – 31057 SILEA (TV) Tel. +39 0422 363292